Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser ND YAG q switched hai bước sóng 1064 532nm dùng trong y học thẩm mỹ cao cấp (2)

B KHOA HC V CễNG NGH VIN NG DNG CễNG NGH TRUNG TM CễNG NGH LASER BO CO TNG KT D N CP B NGHIấN CU, THIT K, CH TO LASER Nd:YAGQ-SWITCHED HAI BC SểNG 1064/532mm DNG TRONG Y HC THM M CAO CP Ch nhim ti: KS Lấ HUY TUN 7383 01/6/2009 H NI 2008 Đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ ( Thông tin quản lý ) Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd: YAG Q- switched hai bớc sóng 1064/532nm dùng y học thẩm mỹ cao cấp Mã số: Chơng trình: Chủ nhiệm đề tài: Ks Lê Huy Tuấn Cơ quan (cấp) quản lý: Bộ Khoa học Công nghệ Cơ quan chủ trì: Trung tâm công nghệ Laser Viện ứng dụng công nghệ Cơ quan phối hợp: Xởng khí Trung tâm 80 Cục tác chiến điện tử; Nhà máy yếu TW Đảng; Bệnh viện TW Quân đội 108; Bệnh viện Đa khoa Hồng Ngọc Thời gian thực hiện: 24 tháng (01/ 2006 ữ 12/ 2007) Kinh phí : 385 triệu đồng Ngời tổ chức, thực chính: - KS Lê Huy Tuấn - TS Trần Ngọc Liêm - Phòng Điện tử Y học TTCN Laser 10 Mục tiêu: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo 01 thiết bị laser Nd:YAG Q-switched ứng dụng laser Nd:YAG Q-switched điều trị 20 bệnh nhân 11 Nội dung: Nghiên cứu, khảo sát hệ thống: nguyên lý, đo lờng phân tích tham số chế hoạt động Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo sản phẩm: modul, panel, block khối điều khiển, chức hệ thống Lắp ráp hiệu chỉnh quang học, học, điện tử, điện lạnh Thiết bị hoạt động thử nghiệm phòng thí nghiệm 100h e ứng dụng điều trị thực nghiệm bệnh nhân thống kê, tổng kết đánh giá kết KHCN Y học 12 Nhu cầu Kinh tế Xã hội, nơi áp dụng (u áp dụng, giá thành thiết bị): Hiện nhu cầu ứng dụng thiết bị laser Nd:YAG Q-switched lớn chuyên khoa da liễu thẩm mỹ (u sắc tố, u máu phẳng, sẹo lồi, mụn ruồi, hình xăm) nhng thiết bị nhập ngoại đắt tiền ( trung bình khoảng 50.000USD) lại dễ hỏng hóc điều kiện thời tiết Việt Nam, việc bảo hành, sửa chữa thiết bị gặp nhiều khó khăn hầu nh không sửa chữa đợc Nếu khắc phục đợc vấn đề có khả cung cấp thị trơng Việt Nam 100 máy/ năm với giá thành 20.000USD/1 máy 13 Tình hình nghiên cứu trong, nớc: Trong nớc: Đến thời điểm này, cha có tổ chức đặt vấn đề nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd: YAG Q- swiched hai bớc sóng 1064/532nm dùng y học thẩm mỹ cao cấp cách hoàn chỉnh Trên giới: Mỗi hãng sản xuất cho loại thiết bị có u điểm riêng biệt nhng hoạt động Việt Nam gặp phải số cố nh: bền bỉ, tơng thích với điều kiện hoàn cảnh sử dụng địa bàn khác Báo cáo tóm tắt thực đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo laser Nd:Yag Q switched hai bớc sóng 1064/532nm dùng y học thẩm mỹ cao cấp Thiết bị laser Nd:YAG Q Switched hai bớc sóng 1064/532nm thuộc dòng thiết bị y học công nghệ cao, phức tạp, khó tiếp cận chế tạo Tuy nhiên, sau hai năm nỗ lực nghiên cứu triển khai thực nội dung đăng ký thuyết minh, đến Nhóm đề tài đ đạt đợc số kết bớc đầu: 1/ Hoàn thành mục tiêu đặt chế tạo hoàn chỉnh 01 thiết bị 2/ Cho thiết bị chạy thử, kiểm chứng thực nghiệm 200 bệnh nhân Khoa y học thực nghiệm Bệnh viện 108 Bệnh viện Hồng Ngọc bớc đầu thu đợc kết điều trị khả quan (vợt mức yêu cầu đặt ra) 3/ Qua trình sử dụng (8 tháng) thiết bị hoạt động tốt, không gây tiếng ồn, ổn định, có mỹ thuật đẹp, hợp lý lắp đặt nh thao tác, vận hành, độ an toàn cao (13 tham số an toàn tự động bán tự động) 4/ Đã xây dựng đợc: - Các nguyên tắc thiết lập cấu hình bố trí hệ thống tính đến yếu tố: An toàn toàn diện tối u tham số hoạt động nhằm nâng cao độ bền vững (tuổi thọ) thiết bị; Khả thay linh kiện; Giá trị thẩm mỹ; Khả lắp đặt triển khai thiết bị vào thực tế; Thiết kế mở để nâng cấp hay tháo lắp bảo trì sửa chữa dễ dàng phù hợp Phơng pháp tính toán thiết kế kỹ thuật phần tử hệ thống - Phơng pháp lựa chọn linh kiện tốt, hợp lý, có độ bền hoàn cảnh môi trờng Việt Nam - Các quy trình, nguyên tắc gia công, lắp ráp, chỉnh phần tử hay khối chức nhằm đạt đợc độ an toàn, bền vững, xác cao xác suất hỏng hóc thấp - Bộ hồ sơ thiết kế chế tạo tổng thành hoàn chỉnh (bản vẽ kỹ thuật, phơng pháp, quy trình) Từ sản xuất giai đoạn để cung cấp cho nhu cầu thị trờng nớc Những vấn đề công nghệ cần giải giai đoạn sau: Đề tài hoàn chỉnh công nghệ chế tạo mức độ đơn nên cần nghiên cứu thiết lập công nghệ có tính chất chế tạo dây chuyền để sản xuất thiết bị với quy mô lớn Vấn đề làm lạnh (bằng blog lạnh) phải đợc đa vào bên máy laser Nd:YAG để giảm cồng kềnh hệ thống MC LC Trang Phần I: Nghiên cứu hệ thống, thiết kế, chế tạo thiết bị laser Nd:yag q switched hai bớc sóng 1064/532nm 1 S chc nng 2 Nguyờn lý hot ng B.Tinh thể Nd:YAG KTP Tinh th Nd:YAG 11 Q - Switch 13 Tinh th KTP c điện công suất điều khiển đèn bơm quang học Xenon kích hoạt 33 A Hệ thống laser Nd:YAG Q switched ( = 1064/532nm) laser Nd:YAg H An toàn hệ thống 33 34 40 40 41 42 42 42 50 50 51 51 51 53 54 61 Phần II: Tham số vận hành thiết bị 64 A.sự phân loại thiết bị điều trị yêu cầu môi trờng 64 64 65 66 69 70 72 H thng bm quang hc H thng iu khin nng lng phỏt tia laser D Điều khiển công suất laser Ch iu bin phm cht B to xung n, xung chui E Quang học, ghép nối chỉnh S nguyờn lý h quang BCH yờu cu ghộp ni v cn chnh F Hệ thống bớc sóng V trớ lp t KTP H thng iu khin chuyn ng KTP G.Điều khiển tham số hoạt động hiển thị H thng mch iu khin B chuyn i tng t/s Vi iu khin 89C51 B thông số kỹ thuật C phạm vi áp dụng D giới thiệu chức E giới thiệu hệ thống hoạt động F cài đặt điều khiển thiết bị G sửa chữa Phần III: ứng dụng thử nghiệm máy bệnh nhân 74 Phần IV: Phụ lục 79 ti cp B: Nghiờn cu, thit k, ch to laser Nd:YAG Q switch hai bc súng 1064/532nm dựng y hc thm m cao cp Phần I: Nghiên cứu hệ thống, thiết kế, chế tạo thiết bị laser Nd:YAG Q Switched hai bớc sóng 1064/532nm a/ Hệ thống laser Nd:YAG Q Switched ( = 1064/532nm) Sơ đồ khối chức Nguồn AC220V/50Hz/15A Nguồn DC ổn áp 5V, 10V, 12 V, 24 V Power supply Đặt tham số làm việc PARAMETER (6 tham số) APTOMAT tổng bảo vệ hệ thống chỉnh lu Trung tâm điều khiển , xử lý , đo đạc, điều hành Nguồn công suất nuôi dao động 300VDC/30A Control Central Dc Power Nguồn lạnh sơ cấp, thứ cấp, bể nớc, máy bơm, đo nhiệt độ tự động (18-200 C) Cooling Water TRANZITOR Siêu công suất Chỉnh lu lọc cao tần rectifier An toàn hệ thống (13 tham số ) Đo áp lực, dũng chy Flow pressure Safety system Đèn XENON Thanh laser Nd: YAG/KTP Laser dẫn đờng = 635nm Aiming Beam Nguồn laser dẫn đờng AIMING Beam pOWEr Tạo Q - Switch Cỡng Quang học optical Cánh tay laser Conducting Light arm Laser Nd:YAG Hỡnh S chc nng ti cp B: Nghiờn cu, thit k, ch to laser Nd:YAG Q switch hai bc súng 1064/532nm dựng y hc thm m cao cp Nguyờn lý hot ng Thit b c kt ni vi in mng AC220V/50Hz/60Hz/15Ampe qua APTOMAT 20A bo v dũng tng qua b lc nhiu h thng NOISER FILTER 20Ampe qua ng t MAGETRIC RELAY 20A/36V DC CONTROL qua cm bin dũng in CURRENT SENSOR 20A qua TRANSITROR siờu cụng sut MOSFET H dao ng tn s 1Mhz iu khin to dũng in xung cụng sut qua chnh lu lc cao tn KIT DIODE qua van t ngt to in ỏp t lờn ốn Xenon (cụng sut laser t l vi in ỏp ny) laser Nd:YAG / KTP to tia laser B to Q switch cng bc qua h quang hc cỏnh tay laser khp n mụ iu tr Laser dn ng ( = 635nm) c hp tia trựng khớt tia laser Nd:YAG Trung tõm iu khin x lý o c, iu hnh CONTRAL CENTRER lm nhim v iu khin x lý ton b h thng thụng qua cỏc tham s nh: thi gian úng m ngun in, dũng in I, in ỏp U, nhit nc, laser, mỏy bm, lu lng nc, ỏp lc nc, thi gian xung (Q - Switched), thi gian xung lp li WIDTH PULSE, tn s xung FREQUENCY PULSETt c cỏc tham s iu hnh nu b li h thng s bỏo li v thit b t ng dng hot ng Cỏc ngun nuụi AC, DC cú cht lng cao v c x lý vi chớnh xỏc 1% An ton h thng c thit lp mt cỏch chun mc vi chớnh xỏc v nhy cao nhm mc ớch nõng cao tui th, tin cy h thng cỏc diu kin khụng ỏp ng c iu ny rt cn thit cho mt thit b hin i cú nhiu lnh vc ỏp dng: iu khin t ng, Quang hc, in t cụng sut, in lnh, C hc Vic t thụng s lm vic v hin th trờn mn hỡnh LCD cm ng giỳp cho ngi hnh d dng v thõn thin (6 tham s hin th cựng mt lỳc): Nng lng ENGERY, tn s FREQUENCY, laser dn ng LASER BEAM, la chn bc súng WAVE LENGTH, m xung TREATING COUNT, ch hot ng READY/STANDBY H thng bm nc mỏt BCH laser Nd:YAG c thc hin nh mt ng c cú ỏp lc 8000mm ct nc bm nc tun hon t mt b nc Inox cú dung tớch 10l Vic gim nhit ca b nc ny l cn thit bi quỏ trỡnh hot ng ốn Xenon phỏt nhit khỏ cao 10C/1 phỳt, iu ny c thc hin cng bc nh nc lnh hoc nc sinh hot Quỏ trỡnh hot ng ca h nc lm mỏt luụn c cỏc cm bin nhn bit v ỏp lc, lu lng, nhit Cỏc tham s v nc khụng m bo h thng cng t ng dng v bỏo li H quang hc c b trớ trờn mt mt nhụm dy 50mm cú bin dng c hc thp, cỏc vớt chnh h quang hc u c hóm tt nht nhm chng rung súc chuyn v s gión n nhit gõy nờn c bit cỏnh tay truyn Nd:YAG cú chớnh xỏc cao ( 1/1000), nú cú gng phn x nm khp linh ng Tia laser trc thoỏt cỏnh tay nú qua thu kớnh hi t iu chnh c tiờu c t ữ mm Ton b h thng c thit k trờn mt nn khung c hc vng chói cú th di chuyn linh hot v khụng gõy ting n ti cp B: Nghiờn cu, thit k, ch to laser Nd:YAG Q switch hai bc súng 1064/532nm dựng y hc thm m cao cp B/ tinh thể Nd:yag /ktp, điều kiện chế phát tia laser Tinh th Nd:YAG Laser Nd:YAG l mt nhng laser rn c s dng ph bin nht k t hp cht Nd:YAG c s dng lm hot cht laser thnh cụng vo nm 1964 Cụng thc hoỏ hc ca cht nn l Y3Al5O12 (Ytrium Aluminum Garnet-vit tt l YAG) v ca cỏc tõm kớch hot l ion Nd3+ (Neodym-vit tt l Nd) Bc x laser xy cỏc dch chuyn gia cỏc mc nng lng ca cỏc ion Nd3+ Hot cht l cỏc ion Nd3+ c cy vo tinh th YAG vi t l n 2% (theo trng lng) Do mt Nd3+ khỏ ln nờn h s khuch i ca laser Nd:YAG ln hn nhiu so vi laser khớ Hp cht Nd:YAG l hp cht s hu nhng thuc tớnh tt nht v quang hc, nhit v c khớ v nú l nguyờn liu s dng tt nht cho laser rn c trng c bn ca hp cht ny l: truyn dn mnh nhit phũng vi bc súng 1064nm, rng tia l 4,5 A0, thi gian hunh quang l 230ns, im núng chy l 19700C Nd:YAG vụ cựng cng v cú dn sut nhit tt Mt s tớnh cht vt lý ca tinh th Nd:YAG Tinh th Nd:YAG l tinh th u, c nuụi bng phng phỏp Czochral (kộo tinh th núng chy) Trng tinh th gn i xng t giỏc S nỳt mng tinh th l 1,36.1022/cm3 Tit din chuyn dch laser hiu dng l 3.10-19 cm2 iu kin nhit phũng Thanh hot cht thụng thng cú di t 75mm n 150mm, ng kớnh ln nht l 8mm (tu thuc vo cụng ngh nuụi) Hai u hot cht c ct phng hoc ct theo gúc Bruster v c ỏnh búng, ph lp kh phn x Mc ớch kh phn x trỏnh to bung cng hng ph Tu theo cụng ngh nuụi cy khỏc nhau, tit din ngang ca hot cht cú th l hỡnh trũn, cng cú th l hỡnh ch nht hay hỡnh vuụng Tuy nhiờn, thụng thng l hỡnh trũn, vỡ cụng ngh kộo hỡnh trũn s d hn v bo m ng nht hn Mt s tham s ca laser Nd:YAG (ca hóng Korad, USA) v tinh th YAG c tng kt bng 1.1 v bng 1.2 Bng 1.1 Cỏc tham s chớnh laser Nd:YAG JK Anh ch to Kớch thc hot l = 100mm, D = mm cht Nd:YAG Bm quang hc ốn Crypton, mi ốn cú cụng sut 6kW (500ms) B phn x elip cú mt ỏnh búng phn x 90% Nng lng 2J Cụng sut phỏt ch t ( = 320àm) 50kW, ch xung ( = 10ns) 2000 MW di bc súng 1,064 àm phõn k mrad Cu trỳc chựm tia n mode Hiu sut 2% ti cp B: Nghiờn cu, thit k, ch to laser Nd:YAG Q switch hai bc súng 1064/532nm dựng y hc thm m cao cp Bng 1.2 Tớnh cht ca tớnh th YAG S nỳt mng tinh th 1,36.1022 cm-3 Nhit núng chy 12150C dn nhit o nhit 25oC 0,11 W/cm.0C khuch tỏn nhit 7,7.10-6/0C H s hp th ỏnh sỏng ( =0,63 àm) 1,83 cm-1 Ph hp th vựng cc tớm 0,24 àm Ph hp th vựng hng ngoi xa 5,6àm di ụ mng 12,01 Cu trỳc tớnh th u S cỏc mc nng lng Cỏc dch chuyn chớnh ca Nd3+ YAG c trỡnh by hỡnh (1.1) Khi c bm (nhn nng lng quang t ngoi) cỏc ion Nd3+ chuyn t trng thỏi c bn vi mc nng E S3/2, 4F7/2, (A) H9/2, 4F5/2, (B) 1,064àm F3/2 (C) 1,061àm 4 I15/2 I13/2 I11/2 I9/2 Hỡnh 2: S cỏc dch chuyn chớnh ca ion Nd3+ vựng quang hc lng 4I9/2 lờn ba nhúm mc nng lng A, B, v C Nhúm A gm mc nng lng 4F7/2 v S3/2 nhúm B gm cỏc mc nng lng 4F5/2 v 4H9/2 v nhúm C l mc 4F3/2 Ba mc ny l ba mc hp th ca Neodym tinh th YAG T cỏc mc A, B cỏc ion Nd3+ thc hin cỏc chuyn mc khụng bc x xung mc C Mc nng lng 4F3/2 gi l mc laser trờn Cỏc chuyn dch F - I b cm gn ỳng lng cc s lng t qu o ca ion Nd3+ thay i n v chuyn dch ny Do ú cỏc trng thỏi gn vi F gi l trng thỏi bn vi thi gian sng khong 240 às Khi b mt nng lng ion Nd3+ nhy t mc laser trờn xung cỏc mc nng lng 4I11/2 , 4I13/2 , 4I15/2 vi hiu sut lng t (t s gia s nguyờn t b kớch thớch v s nguyờn t chuyn xung mc di) gn bng 100% ti cp B: Nghiờn cu, thit k, ch to laser Nd:YAG Q switch hai bc súng 1064/532nm dựng y hc thm m cao cp Trong ba mc nng lng ny thỡ mc 4I11/2 gn mc c bn nht v cú hiu nng lng gn bng 2000 cm-1 Giỏ tr tớch kT iu kin nhit phũng bng 4,14.10-14 erg S dng phng trỡnh / = E / hc ta tớnh c nng lng t n v cm-1 sang n v erg 1cm 1,987.10 16 erg Hiu nng lng 2000 cm-1 s bng 3,974.10-13 erg Do ú [E ( I ) E ( I )]/ kT = 3,974.10 13 / 4,4.10 14 4 11 / 9/2 S dng phõn b Bolzmann ta cú: N1 = e ( E1 E ) / kT 1,3.10 N0 iu ny cú ngha l nhit phũng mc nng lng 4I11/2 hu nh trng rng Phn ln (60%) cỏc nguyờn t trng thỏi laser trờn s chuyn xung mc 4I11/2 Mc ny c gi l mc laser di Nh vy vựng súng quang hc cỏc mc nng lng ca ion Neodym tinh th YAG to thnh h nng lng mc Ph hp th v phỏt x Vi cu trỳc cỏc mc nng lng nh trờn, ion Neodym cú ph hp th nh hỡnh Di hp th A nm vựng lõn cn 0,75 àm, Di B nm vựng lõn cn 0,8 àm v di C nm vựng lõn cn 0,9 àm Tt c ba vựng ny u thuc vựng nhỡn thy v hng ngoi Mc d hp th gn Vi ba di hp th ny thỡ ốn Xenon, Crypton l ngun bm thớch hp nht Bc súng (àm) Hỡnh Ph hp th ca Nd:YAG T trng thỏi laser trờn cỏc ion Neodym s nhy xung cỏc mc thp 4I9/2, 4I11/2, 4I13/2 v I15/2 v phỏt x súng ỏnh sỏng cú ph nh hỡnh Hỡnh Ph phỏt x ca Nd:YAG ti cp B: Nghiờn cu, thit k, ch to laser Nd:YAG Q switch hai bc súng 1064/532nm dựng y hc thm m cao cp Ph phỏt x ny bao gm vch (rng) Hai vch mnh nht ng vi bc súng 1,0615 v 1,0642 àm Bc súng ca 18 vch (hp) phỏt x, tớnh tt c cỏc chuyn dch, c trỡnh by bng 1.3 Cỏc giỏ tr ny c xỏc nh nhit 3000K Bng 1.3 Cỏc vch phỏt x ca Nd:YAG Chuyn dch 4 4 Bc súng vch phỏt x Cng tng i % 0,8910 0,8999 0,9385 0,9460 25 1,0521 1,0615 1,0642 1,0737 1,1119 1,1158 1,1225 60 1,3184 1,3334 1,3351 1,3381 1,3533 1,3572 14 1,833 F3/2- I9/2 F3/2 4I11/2 F3/2 4I13/2 F3/2 4I15/2 Nh vy, mc dự cú ti 18 vch phỏt x, nhng mnh nht l cỏc vch bc súng gn 1,06 àm Do ú laser Nd:YAG phỏt vựng 1,06 àm l c trng nht Khi núi n laser Nd:YAG l núi n laser phỏt bc x bc súng 1,06àm 21N2 Hỡnh 4: Cu trỳc h trng thỏi 32N3 31N3 43N4 42N4 41N4 B41 B14 C ch phõn b o laser rn Nd:YAG Nhng quỏ trỡnh c bn to nghch o mt gia cỏc mc cụng tỏc ca ph Laser ch yu l quỏ trỡnh bm quang hc i vi Laser Nd:YAG, ta ỏp dng cỏc phng trỡnh ng hc cho h laser hot ng theo s mc Bm quang hc s chuyn ht t trng thỏi lờn trng thỏi